本文介紹了高壓變頻器在火力發(fā)電廠循環(huán)水泵上的應(yīng)用，分析改造之后的控制策略以及對變頻改造效果做了描述。

1. 項目背景

某發(fā)電廠建設(shè)規(guī)模為2×12MW抽凝式供熱發(fā)電機組，配3×75t/h循環(huán)流化床鍋爐，總投資1.86億元，第一臺機組于2001年11月投產(chǎn)，第二臺機組于2002年1月投入運行?？晒┎膳娣e180萬平方米。工程于2003年9月23日開工，建設(shè)規(guī)模為2×200MW供熱發(fā)電機組，總投資15.1962億元，第一臺機組計劃2005年6月5日投產(chǎn)，第二臺機組于2005年7月31日投產(chǎn)，建成后新增集中供熱面積650萬平方米。

發(fā)電廠共有3臺循環(huán)水泵。以下為現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)表1：

現(xiàn)場主要存在以下問題：

（1）因循環(huán)水泵自身負載較重，起動轉(zhuǎn)矩大，采用全壓直接起動方式，啟動電流達到了額定電流的4～6倍，啟動時對整個電氣系統(tǒng)的沖擊比較大，對電氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運行帶來不利影響；

（2）為保證管網(wǎng)中的壓力和流量在不同的用水條件下滿足生產(chǎn)，需要開三臺泵，但是流量是有富裕的，為了保證管網(wǎng)壓力和流量的穩(wěn)定，不得不指派專職生產(chǎn)操作人員巡查管網(wǎng)的壓力，并隨時調(diào)整閥門的開度及泄壓溷排水，不僅造成生產(chǎn)操作人員的勞動強度大，而且浪費了大量寶貴的水資源，不符合我國節(jié)約用水的理念；

（3）在用水需量較小的時候，電機也必須全壓、全轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，造成“大馬拉小車”現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的電能浪費，同時，導(dǎo)致功率因數(shù)降低；

（4）電機一直處于全轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成電機軸承極易出現(xiàn)發(fā)熱和磨損的現(xiàn)象，夏天時，電機軸承溫度最高可達到85℃，加速了軸承潤滑脂的破壞，磨損的軸承必須及時更換，加速了電機的維護保養(yǎng)速度，大大地增加了系統(tǒng)的運營成本；

（5）電機軸承的磨損，還造成整個系統(tǒng)運行的噪音增大，對員工的身體健康產(chǎn)生不利影響。

2.方案介紹

為解決以上問題，在隨后的技術(shù)改造中，技術(shù)人員為該高壓電機配備高壓變頻控制系統(tǒng)。在循環(huán)水管網(wǎng)上裝設(shè)壓力變送器，將循環(huán)水管網(wǎng)的壓力轉(zhuǎn)化為4—20mA的信號送^變頻器，變頻器將這個信號與設(shè)置的壓力給定值比較后自動調(diào)整變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)恒壓供水的自動閉環(huán)控制。通過變頻器控制轉(zhuǎn)速，避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。

在流量減小時，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要—個比閥門控制小得多的、得以充分利用的功率。根據(jù)泵的揚程特性曲線H—Q，隨著轉(zhuǎn)速的降低，泵的高效率區(qū)段將向左方移動。這說明，轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時，仍可使機泵高效率運行。此系統(tǒng)在啟動時逐漸提升電機速度，減少啟動時的沖擊，又能在正常運轉(zhuǎn)過程中根據(jù)裝設(shè)于循環(huán)水管網(wǎng)上的壓力和流量調(diào)節(jié)控制電機轉(zhuǎn)速，使循環(huán)水的壓力和流量始終滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需求，既節(jié)約了人力又降低了電耗。變頻裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下表：在保證供應(yīng)壓力的同時減少循環(huán)水浪費、節(jié)約電耗即改造的要求。現(xiàn)場工藝如圖1所示。

圖1 熱電廠工藝流程圖

圖 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)示意圖

2.1改造控制方式

改造前控制方式：通過高壓真空接觸器直接啟動。

改造后控制運行方式：

改造后要求實現(xiàn)手動啟動和自動變頻運行兩種方式?？刂品绞綖橐煌弦?，一次回路由進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機自動投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

變頻器運行方式為開環(huán)運行，對運行中的循環(huán)水壓力實現(xiàn)跟蹤控制。

2.2變頻控制自動旁路柜

改造后提供的旁路方案如下：

根據(jù)與用戶方初步溝通，按照用戶的使用要求推薦采用一拖一手動旁路，其主接線方式如下圖所示：

變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、手動切換旁路柜、GD5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、高壓電機組成。

一拖一手動切換旁路柜是由三個高壓隔離開關(guān)QS1～QS3組成。手動旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計，變頻器輸出QS2和旁路高壓隔離開關(guān)QS3機械閉鎖，不能同時閉合，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運行。

圖4 一拖一手動旁路柜（1）電機在變頻運行狀況下時，QS1、QS2閉合，QS3斷開。如需切換至工頻運行時（故障），系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開用戶開關(guān)， 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3，使電機切換至工頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)，使電機工頻運行；（2）故障排除后需要切換至電機變頻運行時，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)， 可設(shè)置變頻器自動檢測電機運行相位和頻率，在沒有電流沖擊的情況下，電機投入變頻運行。

2.3方案優(yōu)點

采用上述一拖一手動型式，即可滿足使用要求，也可以節(jié)省一次投資成本，同時保證正?？梢宰冾l運行，大大提高設(shè)備使用效率。其次，根據(jù)需求調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，減小閥門阻力，延長了設(shè)備的使用壽命和維護費用。高壓變頻器設(shè)備現(xiàn)場運行照片如圖5所示。

3.Goodrive5000系列高壓變頻器特點

●采用多重化移相多單元串聯(lián)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）疊壓技術(shù)，直接“高-高”式，功率模塊為交-直-交型電壓源變頻調(diào)速器；

●高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是由多個單元串聯(lián)而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出。以10kV為例，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。電網(wǎng)送來的三相10kV交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的二次線圈電壓逐個移動，供電給8個功率單元，三相共24個功率單元，每個功率單元的額定電壓為710V，相鄰功率單元的輸出聯(lián)接起來，使得變頻器的額定相電壓為5650V，線電壓為10kV，可輸出高壓正弦波給感應(yīng)電動機，在變頻器運行過程中對電動機的絕緣沒有影響，變頻器的輸出電壓和輸出電流均為正弦波形，變頻裝置對輸出電纜的長度沒有任何要求，能直接拖帶普通高壓電機，并且徹底消除諧波引起的電機發(fā)熱現(xiàn)象；

●鈑金件熱鍍鋅處理，超強抗腐蝕能力

●專業(yè)高抗EMC電路設(shè)計--在功率單元模塊設(shè)計上，針對不同電流范圍采用獨特進出線設(shè)計，抗干擾能力更強；--在結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運行；

●三核控制技術(shù)--高壓變頻器主控系統(tǒng)采用DSP＋FPGA+ARM三核控制系統(tǒng)巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統(tǒng)高度集成化，抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準(zhǔn)，增加了產(chǎn)品的可靠性；

●豐富的控制功能--我司高壓變頻器繼承了其低壓控制的特點，控制功能非常豐富。表現(xiàn)在頻率控制方式非常靈活。分為A頻率控制與B頻率控制，A頻率控制可以有多種控制源（包括PID控制、多段速控制都屬于這方面內(nèi)容）；B頻率控制同樣有多種控制源，用戶可以靈活的選擇采用A頻率控制源，B頻率控制源還是A+B，A、B中最大值。通過這種數(shù)學(xué)上的抽象，英威騰的高壓變頻器不僅能滿足簡單場合的工藝控制的要求，還可以滿足特定場合的工藝控制要求。另外，對于命令通道的選擇也同樣是豐富多樣的?？梢曰緷M足多種多樣的應(yīng)用場景；

●模塊冗余配置--功率單元采用一定冗余配置。功率開關(guān)器件按實際運行參數(shù)的2倍以上配置電流和電壓，如采用1700V高壓IGBT，器件參數(shù)余量大，可靠性較高；

●低諧波設(shè)計--額定負載時輸入側(cè)的（對電網(wǎng)的影響）諧波＜2％；輸出側(cè)的（對電機的影響）諧波＜2％；--DSP控制系統(tǒng)對調(diào)制波形優(yōu)化處理，確保輸出完美無諧波波形；

●AVR功能--可以根據(jù)母線電壓的波動自動調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動對于輸出電壓波動的影響；

●V/F控制的轉(zhuǎn)矩提升功能--提供低頻轉(zhuǎn)矩提升功能，其主要是用來解決低頻時定子電阻引起的電壓損失導(dǎo)致磁通不足的問題；

●多種V/F曲線的選擇--提供多種的V/F曲線形式（如：多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線），可以滿足各種不同的負載要求；

●內(nèi)置PID控制功能●完善的20種保護功能--功率單元自身多達11種故障保護功能；電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面的檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、欠壓、溫度等多達20多種超強保護功能；重要保護定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進行參數(shù)設(shè)定，內(nèi)置雷擊過流保護裝置，提高了設(shè)備的保護功能和系統(tǒng)的保護功能；●寬范圍抗電壓波動能力--寬電壓適應(yīng)性強，允許網(wǎng)側(cè)電壓在10%～-15%之間波動。同時具有AVR功能，能夠根據(jù)母線電壓的波動自動調(diào)整輸出電壓。網(wǎng)側(cè)電壓在短時間小于85%～65％額定值或大于110%～120％額定值，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不停機，保證電機持續(xù)運行；

●超長瞬時掉電不停機，有效避免電網(wǎng)不穩(wěn)定帶來的停機問題--我司高壓變頻器采用更好的瞬停處理方式，可以做到適應(yīng)電網(wǎng)晃電1S以上，不管是風(fēng)機，還是水泵，都可以做到該效果。如果風(fēng)機類負載，最多可以電網(wǎng)晃電5S都沒有問題；

●超低頻轉(zhuǎn)速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動--具有全頻段的轉(zhuǎn)速自動跟蹤啟動功能，不論電機掉電多久，不論電機在頻段高低時，都能自動搜索跟蹤電動機轉(zhuǎn)速，按照設(shè)定加減速時間恢復(fù)正常運行狀態(tài)，不用顧慮電機的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)高壓電機即時的啟動和停止控制，保證機組安全啟動；

●對稱旁路功能，單元體雙旁路技術(shù)，系統(tǒng)可靠性更高--采用的是機械式旁路（外部旁路）與電子旁路（內(nèi)部旁路）可選的策略，其中機械式旁路可在200ms完成功率單元的自動旁路，而電子旁路，因為都是電子元器件控制，其動作時間就會很快，毫秒級就能完成旁路的動作。并且不論是機械式旁路還是電子旁路，都經(jīng)過了嚴(yán)格重載，小慣量負載的驗證的，完全可以可靠的旁路；

●雙上電限流電路設(shè)計，有效保護系統(tǒng)安全、延長設(shè)備壽命--采用了硬件限流以及軟件限流技術(shù)，當(dāng)有效保護了因為負載突變而導(dǎo)致的系統(tǒng)過流故障的問題，提高了產(chǎn)品的可靠性；

●抗輸出短路保護技術(shù)--系統(tǒng)在輸出線纜短路的時候，能夠迅速保護，不會造成別的不良后果。

4.節(jié)能效果

循環(huán)水泵變頻節(jié)電改造后，2015年5月26日，正式投入生產(chǎn)，至今運行正常。經(jīng)過廠能源利用監(jiān)測中心測試，系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果：實施變頻改造后，循環(huán)水泵用電量有明顯下降，設(shè)備實現(xiàn)了軟起動，改善了設(shè)備的運行工況，極大地減輕了設(shè)備起動時對供配電系統(tǒng)的沖擊。通過現(xiàn)場設(shè)備運維人員統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算分析可，采用變頻調(diào)速運行后，月節(jié)電大約18000度，節(jié)能效果十分明顯。附加收益：另外循環(huán)水泵變頻節(jié)電改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現(xiàn)場噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境，運行人員反映良好；便于實現(xiàn)電廠循環(huán)水泵機組控制系統(tǒng)自動化管理。

經(jīng)過改造這個變頻系統(tǒng)就相當(dāng)于一個自動調(diào)節(jié)閥，用多少，供多少，實現(xiàn)供需平衡，節(jié)約能源。5. 結(jié)束語經(jīng)過國內(nèi)變頻器廠家的不斷努力，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品水平已達到國際同類產(chǎn)品先進技術(shù)水平，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品以其性能良好，良好的本地化服務(wù)，性價比高，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并且節(jié)能效果顯著，能短期內(nèi)為用戶收回投資。隨著國家目前對節(jié)能減排工作力度空前加大，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發(fā)展時期。

編輯：黃飛